红黏土物理力学性质与声波波速关系的初步研究

张 丹，晏鄂川，梁 风

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074;2.贵州大学资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025)

红黏土是一种有特殊工程地质性质的区域性特殊土。在我国，它特指碳酸盐类岩石在亚热带湿润气候条件下，经过强烈的风化作用形成的厚度不同的团粒结构的褐红、棕红等色的黏性土，在广西、云南、贵州的分布最广泛，且厚度变化很大[1-2]。红黏土工程地质的特殊性主要表现在以下三个方面：①红黏土具有反向剖面性，即上硬下软，随着埋藏深度的增大，红黏土的含水率、孔隙比、压缩系数均增大，土质由硬变软，强度大大降低，工程力学性质变差；②红黏土失水收缩强烈，会导致其表面裂隙发育强烈，对边坡的稳定性或浅埋基础都会造成一定的影响；③受地形地貌和下伏基岩起伏的影响，地势较高处的红黏土含水率与压缩性均较低，土体强度较高，工程力学性质较好，同时，因基岩起伏，即使相距很近的红黏土，其厚度变化也可能很大，也会造成土体性质的差异，对工程建设的影响较大[1]。贵阳地区的红黏土发育极其典型且分布广泛，在建筑工程中常常涉及到对红黏土地基等与红黏土有关的工程地质性质的评价。

20世纪70年代以来，国内外铁道、水电及工程地质界普遍运用岩石的纵波速度进行岩体分类、风化层划分等，声波测试技术作为一种无损、快速、简便的检测方法，已经成为了一种不可缺少的岩土体检测手段。如Stephenson[3]对无侧限黏土进行了声波波速测试，着重研究了黏土含水率、孔隙比等对其声波波速的影响；Alba等[4]测定了三轴压力室内饱和砂土的剪切波速等；王大雁等[5]测定了不同密度的冻结黄土、砂土和黏土在不同温度下的声波波速，建立了未冻结黄土含水量与声波波速的关系；王峥辉等[6]对比研究了黏性土含水率、压缩系数与其超声波波速值的关系，结果表明黏性土的纵波波速随其含水量的增大而增大，在一定的含水量条件下，其纵波波速与压缩系数之间呈指数函数关系，其横波波速与其压缩系数之间呈线性关系；黄星等[7]分析了冻结粉质黏土的含水率、温度、干密度对其声波波速的影响，结果表明在黏土含水率相同的情况下，其声波波速随干密度的增加呈线性增加；王飞声[8]研究了粉质红黏土含水率、孔隙比与其纵波波速的关系，结果表明土样含水量与纵波波速呈正相关关系，土样孔隙比与纵波波速呈负相关关系；李艳等[9]对龄期为28 d的不同水泥掺量的红黏土进行了超声波测试，验证了超声波测试技术在水泥红黏土测试应用中的可行性，有助于推进声波无损测试技术在土体中的应用。

在地质工程领域中，现阶段声波波速测试技术主要运用于岩体的波速测试，在土体的实际运用则较少。因此，本文利用WSD-2数字声波仪研究红黏土物理力学性质与声波波速的关系，以验证声波测试技术在生产实际或工程建设中运用的可行性，提供一种通过声波波速了解红黏土物理力学性质的新思路。

1 材料与方法

1.1 试验土样

本试验所用的红黏土土样取自贵阳市金阳新区“中铁·逸都国际”工程[10]。该红黏土在场地内局部分布，呈褐黄色，裂隙发育,局部含锰质条带,为致密状-块状,局部含少量强风化团块，主要呈可塑状。试验土样主要为环刀样，部分试样为重塑土样。试验红黏土土样的基本物理力学指标，见表1。

表1 试验红黏土土样的基本物理力学指标

1.2 土样声波波速测试

试验采用WSD-2数字声波仪对不同物理力学状态下的红黏土土样的声波波速进行测定。先用两个换能器涂上蜂胶牙膏(作为耦合剂)并分别压在土样的上下两面并耦合充分，每个土样测定3次声波波形；然后将土样的声波波形传输到电脑上进行起跳点[图1(a)中蓝色竖线]校正，得到校正前后红黏土土样的声波波形，见图1；用游标卡尺测量土样高度l，最后读取起跳点声时并对同一个土样的多次测量结果取平均值，记为t0(μs)，则声波在土样中的传播速度可由土样高度l除以t0求出。

图1 校正前后红黏土土样的声波波形图Fig.1 Acoustic wave waveform of soil samples before and after calibration

1.2.1 不同含水率土样的制备

不同含水率红黏土土样的制备方法是，降低土样含水率的方法采用自然风干，增大土样含水率的方法采用自然泡水。红黏土土样自然泡水时，在环刀样两端放上透水石，再用橡皮圈固定，以防止土样表面被泡坏；固定好之后轻轻放入盛有蒸馏水的烧杯或桶中，使土样完全泡入水中。红黏土土样自然风干时，先用ZJ型应变控制直剪仪将土样从环刀中取出，具体取出方法按照《土工试验规程》[11]中直接剪切试验(SL237—021—1999)第4.2.1条的规定；取出土样后放在桌面上进行风干，保证每个土样的风干时间不同即可。因土样含水率具体的改变量不能人工控制，所得的土样含水率将随机变化，分布并不均匀，因此泡水时间、风干时间也没有特别规定。

1.2.2 不同孔隙比土样的制备

通过固结试验改变红黏土土样孔隙比后进行不同孔隙比红黏土土样的制备。本试验按照《土工试验规程》(SL237—015—1999)的规定，进行50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、500 kPa、800 kPa、1 200 kPa不同压力下的固结试验，加压时均为一次性加压，加压目的仅为改变土样的孔隙比。在土样开始固结时，用洗耳球缓缓在固结容器中加入蒸馏水至淹没整个环刀样，以消除土样含水率对其声波波速的影响；固结完成后再用洗耳球慢慢吸出水分，取出所需土样。

1.2.3 不同干密度土样的制备

在击实功一定的条件下，进行4组不同加砂率[0%(不加砂)、5%、10%和20%]红黏土土样的击实试验，过筛土样按照规范制备。将制备好的土样按照不同加砂率分别配备土样质量和砂质量，总质量为170 g，并按照《土工试验规程》中击实试验(SL237—011—1999)中击实试验公式(4.1.1)计算加水量。首先用天平(精确到0.1 g,下同)称取干净击实筒(内径39.9 mm)质量并记录；再将制备好的土样分成5份，按规范安装装置后分层进行击实，每层击实36次，每击实一次重锤杆旋转一圈，击实完成后将两端土磨平；取出击实筒并擦净后称重，再取出土样后测量其高度，以便求出土样的体积，并按照《土工试验规程》中击实试验公式计算击实后干密度。测定红黏土土样的声波波速后取土样中部进行含水率试验。

2 结果与分析

2.1 红黏土原状土样含水率与其声波波速的关系

红黏土原状土样的含水率与其声波波速的关系曲线，见图2。

图2 红黏土原状土样含水率-声波波速的关系曲线Fig.2 Diagram of water content-acoustic wave velocity of undisturbed red clay soil samples

由图2可知：红黏土土样含水率与其声波波速的关系大致呈“U”字型关系，拟合关系式为y=36.644 47x2-26.458 65x+6.135 91[其中，x为土样的含水率(%)，y为土样的声波波速(km/s)]；在红黏土土样的含水率小于36%时，其声波波速随含水率的增大而减小；在红黏土土样的含水率超过36%后，土样的声波波速则随含水率的增大而增大，这是因为土样含水率增大，土体中的孔隙将被同体积的水所占，而空气中的声波波速小于液体中的声波波速，所以引起土体声波波速变大。这与王铮辉[12]对下蜀黄土的含水率与其声波波速的关系研究中所得黄土含水率-声波波速曲线类似。

一般认为，红黏土土样含水率减小会导致孔隙水流失，进而导致其声波波速变小，但本次试验结果红黏土含水率小于36%时，随着其含水率的减小，土样的声波波速却增大，推测是土体水分流失后红黏土土样体积发生收缩，土粒间距离拉近，土颗粒表面自由水不断减少，强弱结合水膜成为土粒之间粒间连结的主要形式，而结合水的密度比自由水更大，土样结构更为紧密，进而引起其声波波速的增大。此时控制其声波波速变化的主要因素不是土样的含水率，而与土粒微观结构的变化有关。

2.2 红黏土原状土样孔隙比与其声波波速的关系

红黏土原状土样的孔隙比与其声波波速的关系曲线，见图3。

图3 红黏土原状土样孔隙比-声波波速的关系曲线Fig.3 Diagram of pore ratio-acoustic wave velocity of undisturbed red clay soil samples

由图3可知，随着红黏土土样孔隙比的增大，其声波波速减小，红黏土土样的孔隙比与其声波波速呈负相关关系，拟合关系式为y=-1.393 14x+2.822 6[其中，x为土样孔隙比，y为土样声波波速(km/s)]。这是因为土样孔隙比越大，土体中的空隙就越多，此时空隙中的空气就作为传播介质，而声波通过空气的速度要远远小于通过固体介质的速度；再者，声波会在孔隙中因折射、散射发生损失，土体的孔隙越多，损失的能量也就越多，也会造成声波波速的减小。反之，随着土体不断被压密，其孔隙比越来越小，土粒重塑土样间距离不断减小，声波主要沿土体骨架传播，声波波速不断增大。

2.3 红黏土重塑土样干密度与其声波波速的关系

击实试验红黏土重塑土样，见图4。

图4 击实试验红黏土重塑土样Fig.4 Remolded red clay soil sample in compaction experiment

试验所得红黏土重塑土样的含水率、干密度与声波波速见表2。

表2 红黏土重塑土样的含水率、干密度与声波波速

由表2可知，在击实功一定的条件下，红黏土重塑土样的干密度先随着土样含水率的增大而增大，后随着土样含水率的增大而减小，其转折点对应的含水率为最优含水率，符合黏性土的一般规律。

根据表2数据绘出不同加砂率下红黏土重塑土样的含水率-声波波速、干密度-声波波速曲线，见图5和图6。

图5 不同加砂率下红黏土重塑土样含水率-声波波速的 关系曲线Fig.5 Curves of moisture content-acoustic wave velocity of remolded red clay soil samples

由图5可以看出，击实后红黏土重塑土样的声波波速在土样的含水率小于最优含水率时，其随着含水率的增大而增大，一旦土样的含水率超过最优含水率，则土样的声波波速将随着其含水率的增大而减小，减小的速率先快后慢，其变化规律与干密度随含水率的变化规律大致一致。对比图2与图5发现,红黏土重塑土样的含水率-声波波速曲线与红黏土原状土样的含水率-声波波速曲线恰好相反。这是因为前述的红黏土土样为原状土样或是仅改变了含水率的原状土样，其土样结构并没有受到破坏；而本小节试验进行时，将原状红黏土样进行了烘干研磨，再通过加水击实重塑，完全破坏了土样的原始结构，因此所测得到的土样声波波速随土样含水率的变化规律不同，这种变化是由土样间结构的丧失引起的，这进一步说明了土样的声波波速与土粒的微观结构密切相关。

图6 不同加砂率下红黏土重塑土样干密度-声波 波速的关系曲线Fig.6 Dry density-acoustic wave velocity curves of remolded red clay soil samples with different sand filling rates

由图6可以看出，虽然加砂率不同，但击实后的红黏土重塑土样的声波波速均随着土样干密度的增大而增大，增大速率越来越快，重塑土样干密度与声波波速之间满足一定的关系式(见图6)。这是因为土样的干密度越大，其孔隙比越小、声波波速越大，而击实后的土样虽为重塑土样，但是同样遵循孔隙比越小，孔隙就越少，单位体积的土颗粒就越多，固体中声波的波速远远大于孔隙中的空气或者填充的水分中的声波波速的规律，因此击实后的红黏土重塑土样和加砂后的红黏土土样的声波波速随着土样干密度的增大而增大。根据该结论，若通过大量的试验统计，找到合适的统计关系后，在实际的工程运用中，进行土体压实系数检测时，只需对压实过的土体取环刀样，通过测定土样的声波波速，再根据土样的干密度-声波波速的关系式就可以反算其干密度，从而现场判断土体压实系数是否满足工程质量的要求，这是一种简便、快捷的通过声波波速了解红黏土物理力学性质的手段。

将不同加砂率的红黏土重塑土样的干密度-声波波速关系曲线(见图6)进行对比发现，对加砂后的土样而言，击实后红黏土重塑土样的最大干密度随加砂率的增大而增大。因此，在实际工程中，可通过在红黏土土样中加适量的砂，以提高土样的密实度，从而改善红黏土的力学性质。

3 结 论

(1) 红黏土原状土样的含水率与其声波波速呈“U”字型关系,当土样的含水率小于36%时，其声波波速随含水率的增大而减小，当土样的含水率超过36%时，其声波波速随含水率的增大而增大。

(2) 红黏土原状土样的孔隙比与其声波波速呈线性负相关关系，即土样的声波波速随孔隙比的增大而减小。

(3) 在击实红黏土重塑土样的含水率小于最优含水率时，其声波波速随含水率的增大而增大；在击实红黏土重塑土样的含水率大于最优含水率时，土样的声波波速随含水率的增大而减小。

(4) 击实红黏土重塑土样与加砂红黏土土样的干密度与其声波波速均存在良好的正相关性，满足二次函数关系式,并且随着土样加砂率的增大，所能达到的最大干密度也越大，对应的声波波速也越大，相关性越明显。实际工程中，可通过在土样中加适量的砂，以提高土样的密实度，从而改善土的力学性质。

(5) 红黏土的物理力学指标与其声波波速之间有一定的相关性，并且满足一定的关系式，因此在工程建设中可以通过测定红黏土的声波波速来反算其物理力学指标值，为了解红黏土物理性质、状态提供了一种简便、快速的方法。此外，研究还发现红黏土的声波波速与土粒的微观结构有关，可为进一步理论研究和生产实践提供试验依据。